超高速點(diǎn)磨削相關(guān)機(jī)理研究-

1、第46卷第17期2010年9月機(jī)械工程學(xué)報(bào)JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.46 No.17Sep. 2010DOI:10.3901/JME.2010.17.172超高速點(diǎn)磨削相關(guān)機(jī)理研究*鞏亞?wèn)|1仇健1, 2李曉飛3劉昌付1(1. 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院沈陽(yáng) 110004;2. 沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán)有限責(zé)任公司沈陽(yáng) 110142;3. 沈陽(yáng)北方交通重工集團(tuán)沈陽(yáng) 110015摘要:結(jié)合超高速磨削技術(shù)和點(diǎn)磨削工藝,給出對(duì)點(diǎn)磨削及其相關(guān)技術(shù)的理解。建立砂輪磨損和承載等模型,研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)外圓磨削相比,點(diǎn)磨削砂輪承載更均勻,壽命更長(zhǎng),磨削性能更佳。由點(diǎn)磨削參

2、數(shù)條件下的單顆磨粒成屑試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),磨粒的實(shí)際切深要比理論切深小,并由單顆磨粒成屑機(jī)理給出合理解釋。由砂輪連續(xù)成屑機(jī)理和砂輪相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)軌跡的分析發(fā)現(xiàn),工件軸向進(jìn)給速度應(yīng)低于保證良好磨削表面的最小旋切圈數(shù)的臨界值。點(diǎn)磨削是一種優(yōu)質(zhì)的旋切工藝,能夠?qū)崿F(xiàn)較大切深的磨削加工,兼具高材料去除率和高表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。由于主軸偏擺,砂輪和工件接觸無(wú)閉合磨削區(qū),經(jīng)濕磨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),點(diǎn)磨削接觸區(qū)內(nèi)有更大流量的磨削液通過(guò)。關(guān)鍵詞:超高速點(diǎn)磨削磨削機(jī)理成屑機(jī)理磨削軌跡砂輪磨損中圖分類號(hào):TG580.614Study on the Correlative Mechanism of Super High-speed Point

3、 GrindingGONG Yadong1 QIU Jian1, 2 LI Xiaofei3 LIU Changfu1(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004;2. Shenyang Machine Tool (Group Limited Company, Shenyang 110142;3. Shenyang North Traffic Heavy Industry Group, Shenyang 110015Abstract:By combini

4、ng super high-speed grinding and point grinding technologies, a comprehension of super high-speed point grinding and its correlative technologies is given. Models of grinding wheel wear and loading are built. It is found that the point grinding wheel has more even loading, longer life and better gri

5、nding performance in comparison to the traditional cylindrical grinding. In the chip formation test of single abrasive grain under the condition of point grinding parameters, it is found that the actual cutting depth of abrasive grain is less than the theoretical one, and the reasonable explanation

6、is given by the chip formation mechanism of single abrasive grain. From the analysis of successive chip formation mechanism of wheel and the motion trajectory of wheel relative to the workpiece, it is found that the workpiece axial feed speed should be lower than the critical value of the least rota

7、ry-cutting cycles for ensuring fine grinding surface. Point grinding is a superior rotary-cutting process which can realize large cutting depth, high material removal rate and good surface quality. As wheel spindle swivels, the grinding zone between wheel and workpiece is not closed, it is found in

8、wet grinding experiment that there is larger grinding fluid passing though the grinding contact zone.Key words:Super high-speed point grinding Grinding mechanism Chip formation mechanism Grinding trajectory Grinding wheel wear0 前言傳統(tǒng)車削在加工汽車軸類零件時(shí),經(jīng)常會(huì)遇到* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50775032。20090909收到初稿,20100426收到修改稿

9、淬硬件等材料難加工的問(wèn)題或加工精度和表面質(zhì)量不高等問(wèn)題。此時(shí),通常采用磨削方法。但是磨削加工余量有限,生產(chǎn)率極低。硬車削是在這樣一個(gè)背景下產(chǎn)生的“以車代磨”的方法。硬車削的金屬切除率通常是磨削的34倍,并且可以完成復(fù)雜回轉(zhuǎn)表面的加工。點(diǎn)磨削則是應(yīng)用薄砂輪“以磨代車”2010年9月鞏亞?wèn)|等:超高速點(diǎn)磨削相關(guān)機(jī)理研究173的思想。通過(guò)砂輪軸線相對(duì)水平工件軸線傾斜而在垂直面內(nèi)形成“傾斜角”(圖1a 1,砂輪和工件之間的接觸從傳統(tǒng)外圓磨削的砂輪全寬與工件呈“線接觸”變?yōu)樯拜喼苊嫜剌S線方向與工件沿軸線方向的表面相交而呈“點(diǎn)接觸”。同時(shí),結(jié)合機(jī)床數(shù)控技術(shù),砂輪始終處于加工表面的法平面內(nèi),借此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜回轉(zhuǎn)表

10、面的加工。工件軸線和砂輪軸線在水平面內(nèi)的夾角為點(diǎn)磨削“偏轉(zhuǎn)角”(圖1b。 圖1 點(diǎn)磨削工藝的磨削角超高速磨削(線速度v s150 m/s在加工性能、效率和經(jīng)濟(jì)性等方面都要明顯好于高速磨削(90 m/sv s150 m/s。超高速點(diǎn)磨削(以下簡(jiǎn)稱點(diǎn)磨削是超高速磨削和普通點(diǎn)磨削工藝的結(jié)合,其良好的加工性能可使工件轉(zhuǎn)速成倍提高,在砂輪速度不足150 m/s 時(shí),砂輪工件的相對(duì)速度也能達(dá)到超高速范圍,使操作更安全2。點(diǎn)磨削兼具磨削的高表面質(zhì)量和車削的高生產(chǎn)率,是一種優(yōu)質(zhì)加工工藝。自德國(guó)勇克公司取得專利并成功開(kāi)發(fā)出Quick-point系列機(jī)床以來(lái),已成功應(yīng)用于寶馬、V olvo、Scania、大眾、T

11、ATA等主要汽車生產(chǎn)企業(yè)。其配套砂輪主要由NORTON、TYROLIT等國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)。近些年Saint-Gobain和Cinetic-Giustina Grinding等企業(yè)也陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了點(diǎn)磨削概念試驗(yàn)臺(tái),并在磨削液供給、配套砂輪以及加工柔性等方面的研究有了更大進(jìn)展。目前,國(guó)內(nèi)外研究還需在立方氮化硼(Cubic boron nitride, CBN磨料質(zhì)量、更高的絕對(duì)磨削速度、滑動(dòng)工作臺(tái)系統(tǒng)的精確控制、微量修整裝置可靠性、修整系統(tǒng)跟蹤砂輪尺寸和修整器砂輪工件的相對(duì)位置、砂輪狀況監(jiān)控、機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性、檢測(cè)砂輪工件接觸狀況、加工循環(huán)優(yōu)化、砂輪頭分度系統(tǒng)和軸承剛度等方面加以改進(jìn)。勇克的Quick-p

12、oint系列機(jī)床加工效率和精度高,但價(jià)格昂貴,目前國(guó)內(nèi)只在中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司、上海汽車工業(yè)(集團(tuán)總公司、華晨寶馬汽車有限公司和奇瑞汽車股份有限公司等少數(shù)有大批量生產(chǎn)需求的具有經(jīng)濟(jì)背景的大型企業(yè)中3應(yīng)用,核心技術(shù)還是由國(guó)外少數(shù)企業(yè)掌握。研究點(diǎn)磨削工藝及其加工機(jī)理對(duì)打破技術(shù)壟斷,盡早開(kāi)發(fā)出國(guó)產(chǎn)點(diǎn)磨削概念機(jī)床,實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè),特別是中小企業(yè)的應(yīng)用是十分有意義的。1 點(diǎn)磨削工藝的優(yōu)點(diǎn)加工相同數(shù)量的零件,硬車削的刀具成本是點(diǎn)磨削的2.2倍。點(diǎn)磨削省去了硬車削因刀具磨損而頻繁更換的時(shí)間。工件夾持用頂尖驅(qū)動(dòng),零件更換方便快捷,既簡(jiǎn)化了夾具,又節(jié)約了加工時(shí)間。點(diǎn)磨削的加工精度和表面質(zhì)量要明顯優(yōu)于硬車削。應(yīng)

13、用CNC數(shù)控技術(shù),點(diǎn)磨削彌補(bǔ)了傳統(tǒng)外圓磨削在加工復(fù)雜回轉(zhuǎn)表面時(shí)的局限。點(diǎn)磨削相比傳統(tǒng)外圓磨削的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)下表2, 4。表點(diǎn)磨削與傳統(tǒng)外圓磨削比較傳統(tǒng)外圓磨削點(diǎn)磨削加工時(shí)間長(zhǎng),多工歩、多次裝夾一次裝夾完成工件全部加工表面,加工精度高,尺寸公差甚至可達(dá)±0.000 1易造成工件表面燒傷高材料去除率,不易產(chǎn)生熱損傷,磨削力小砂輪磨損大、修整頻繁砂輪修整周期長(zhǎng),CBN薄砂輪有更長(zhǎng)使用壽命加工復(fù)雜型面較難,成形加工不便于臨時(shí)改變磨削型面容易完成復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面的磨削加工,通過(guò)CNC技術(shù)和伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)類似車削中心的x-z軸聯(lián)動(dòng)和砂輪架旋轉(zhuǎn)難保證一致的精度高生產(chǎn)率時(shí)也能保證一致的加工精度生產(chǎn)率低,周期長(zhǎng),

14、成本高不需要多臺(tái)機(jī)床共同完成,比普通磨削快6倍,小批和大量生產(chǎn)都具更好的經(jīng)濟(jì)性在加工復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面時(shí),點(diǎn)磨削在3個(gè)方面取代了硬車削5和成形磨削。(1 鋒利CBN薄砂輪技術(shù)和機(jī)床數(shù)控技術(shù)使點(diǎn)磨削砂輪和精磨區(qū)工件的接觸區(qū)域極小,并且薄砂輪可以始終垂直被加工表面,避免了成形磨削必須將寬砂輪仿形修整的繁瑣和效率降低,以及因成形砂輪磨損而形成輪廓誤差。(2 優(yōu)異的磨削性能和高砂輪速度可允許更高的工件轉(zhuǎn)速,磨粒和工件的相對(duì)接觸時(shí)間很短,磨削溫度更低,避免了工件燒傷。(3 加工余量幾乎都由很小的砂輪周面寬度完成,與工件的接觸長(zhǎng)度不足1 mm,具有極大的材料去除率和極小的比磨削能。2 薄砂輪磨損機(jī)理點(diǎn)磨削砂輪直

15、徑受最高轉(zhuǎn)速限制,金屬基陶瓷CBN砂輪直徑一般在300400 mm,東北大學(xué)開(kāi)發(fā)的點(diǎn)磨削砂輪直徑為370 mm,磨料層厚度6 mm,分為直邊砂輪(圖2a和前端有導(dǎo)向角的傾斜型砂輪(圖2b,其中,后者按磨削區(qū)域分為粗磨、精磨和機(jī) 械 工 程 學(xué) 報(bào) 第46卷第17期174光整3個(gè)階段。粗磨區(qū)位于砂輪前端導(dǎo)向區(qū)域,精磨區(qū)為隨后的直邊表面,其他砂輪表面為光磨區(qū)。導(dǎo)向區(qū)域粗磨傾角(簡(jiǎn)稱導(dǎo)向角大小依實(shí)際切深而定,一般10°15°。材料去除幾乎都由粗磨區(qū)和精磨區(qū)前端完成,精磨區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工表面的修形和毛坯余量的去除。光磨區(qū)實(shí)現(xiàn)光整加工并獲得最終表面,其形狀精度要求嚴(yán)格。 (a 直邊砂輪

16、(b 傾斜型砂輪圖2 點(diǎn)磨削砂輪種類及傾斜型砂輪磨削區(qū)劃分點(diǎn)磨削一定時(shí)間后,砂輪導(dǎo)向角磨損,粗磨區(qū)形成階梯狀輪廓(圖3a 曲線1。隨著磨削進(jìn)行,因磨損形成的明顯階梯表面消失,一定時(shí)間內(nèi)形成的連續(xù)輪廓對(duì)獲得良好表面和減小磨削力有利(圖3a 曲線2。當(dāng)砂輪磨損到一定程度后則無(wú)法保證足夠的精磨和光整加工寬度(圖3b 曲線3,需要進(jìn)行 修整。 圖3 砂輪磨損過(guò)程1. 階梯磨損2. 圓弧磨損3. 圓弧擴(kuò)大 圖3a 中砂輪磨損過(guò)程的第m 個(gè)臺(tái)階處的砂輪總磨損量2p p 1exp cos tm K r a a K =+×(1120cos 1!=+i mi K K t i (1式中,p a 是磨削深

17、度,11(2K C =,212K C =,1w s (C Cd d =,C 為常數(shù),s d 和w d 是砂輪直徑和工件直徑。與普通磨削相比,在砂輪磨損相同時(shí)點(diǎn)磨削具有更大的材料去除率。砂輪的徑向磨損量因改善磨料層結(jié)構(gòu)和砂輪傾斜而減小,角度越小磨損量越小,在0.5°,+0.5°時(shí),砂輪更耐磨。3 單顆磨粒劃擦試驗(yàn)及成屑機(jī)理3.1 點(diǎn)磨削參數(shù)下的單顆磨粒劃擦試驗(yàn)研究點(diǎn)磨削參數(shù)條件下的單顆磨粒作用機(jī)理可以幫助了解點(diǎn)磨削加工機(jī)理。點(diǎn)磨削試驗(yàn)中砂輪和工件的合成速度可輕易達(dá)到140 m/s 。單顆磨粒在臨界速度下的切削試驗(yàn)原理如圖4。圖4 單顆磨粒點(diǎn)磨削劃擦試驗(yàn)從磨粒形貌的物理特征可知

18、,實(shí)際應(yīng)用中的單顆磨粒一般包括多個(gè)切削刃。切深一定時(shí),這些切削刃對(duì)工件同時(shí)發(fā)生劃擦和切削作用。圖5為過(guò)砂輪所在平面經(jīng)砂輪工件接觸區(qū)剖切工件所得截面,理想情況下,砂輪周邊磨料層可以看作是無(wú)數(shù)等間距的微小切削刃,在砂輪軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí),這些切削刃去除工件材料,前一磨粒留下的余量由后續(xù)磨粒去除,最終形成磨削表面。同一砂輪平面內(nèi)的磨粒間隔越小,因切削刃間隔造成的殘留余量越小,磨削表面粗糙度越理想。工件轉(zhuǎn)速越低,經(jīng)過(guò)同一工件表面的磨粒數(shù)越多,殘留余量也越小。若磨粒分布均勻,則磨粒等高性好,相鄰磨粒切削工件殘留的表面凸峰高度越小,凸峰形態(tài)越規(guī)整,如圖5中A 、B 點(diǎn)。圖5 同一砂輪截面內(nèi)的連續(xù)切削刃切削模型

19、為了方便觀察單顆磨粒的劃擦痕跡,先將外圓試件表面磨光,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行劃擦試驗(yàn),圖6為試驗(yàn)后獲得的掃描電鏡(Scanning electricmicroscope, SEM圖像,其中標(biāo)記區(qū)域?yàn)閯澆梁圹E和材料塑性隆起。從圖6a 可知,由于磨削加工中的工件砂輪系統(tǒng)的彈性變形和振動(dòng)存在,造成相鄰兩轉(zhuǎn)單顆磨粒的切削深度和劃擦位置不一致,形成的劃痕寬度和長(zhǎng)度也不相同,這也可以解釋為磨削加2010年9月 鞏亞?wèn)|等:超高速點(diǎn)磨削相關(guān)機(jī)理研究 175工的隨機(jī)性6。但只要砂輪切深相同,獲得的劃擦痕跡的長(zhǎng)度、寬度和深度就基本一致。當(dāng)大量磨粒在點(diǎn)磨削參數(shù)條件下磨削時(shí),形成眾多相互交錯(cuò)、隨機(jī)分布的切削劃痕,最終表面就

20、更均勻。圖6b 為圖6a 中標(biāo)記劃痕在500倍放大得到的圖像,可以看出磨粒劃痕兩側(cè)出現(xiàn)隆起和材料擴(kuò)散。 圖6 單顆磨粒點(diǎn)磨削參數(shù)下劃痕SEM 圖用Keyence 激光位移傳感器測(cè)量磨粒劃擦工件 表面的試驗(yàn)結(jié)果如圖7,其中連續(xù)曲線為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的二次擬合,其輪廓與理想磨粒相似,但要比理論的磨粒劃擦深度小,而理論切深應(yīng)與磨粒突出高度(120/140號(hào)磨粒尺寸125 m 的40%50%相當(dāng)。這主要是由于磨粒在切削工件時(shí)砂輪工件系統(tǒng)間的彈性變形造成的。因此,單顆磨粒在切削時(shí)切削刃的前刀面會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變,當(dāng)其應(yīng)力增加并超過(guò)材料屈服強(qiáng)度時(shí),部分工件材料向切削刃兩側(cè)和前端隆起,切深和磨粒切削速度足夠時(shí),最終在切

21、削刃前端形成切屑。 圖7 單顆磨粒劃擦輪廓及其擬合曲線點(diǎn)磨削單顆磨粒在工件上劃擦留下的劃痕比 磨粒輪廓稍淺且圓滑,其切深范圍030 m ,因 此切向力分布不是定值。因磨粒始終繞圓盤中心轉(zhuǎn)動(dòng),其切削刃前角始終在變化,會(huì)對(duì)磨粒比切削能有影響。磨削加工中比切削能可看作眾多磨粒對(duì)工件的機(jī)械做功。對(duì)于單顆磨粒切削作用的計(jì)算可以通過(guò)單顆磨粒的比切削能來(lái)表述,式(2用定量表述單顆磨粒的連續(xù)切削行為和間斷切削行為s t e 0(d lE F x x V = (2a 或s e 0(nti i E F x V = (2b式中,F t 是磨粒的切向力,V e 為材料去除體積,l 是單顆磨粒的劃擦長(zhǎng)度。式(2中材料去

22、除體積總量一定,但是磨粒的切向力不恒定,所以單顆磨粒的比切削能的變化趨勢(shì)與磨粒的切向力趨勢(shì)相同6。磨粒切削速度增加時(shí),比切削能降低,這也很好地從微觀角度解釋了高速/超高速磨削的砂輪速度提高時(shí),磨削力反而降低的現(xiàn)象。 3.2 切屑生成機(jī)理點(diǎn)磨削的理論切屑厚度和面積與相鄰兩個(gè)連續(xù)切刃的運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)。圖8為砂輪第n 1,n ,n+1個(gè)切刃在過(guò)砂輪平面剖切工件所得截面內(nèi)參與切削的軌跡。陰影區(qū)域?yàn)閱挝粚挾壬拜喼苓叺趎 個(gè)磨粒的切削面積,h max 為最大切屑厚度7,表達(dá)式為1/2/2max gw w s p e (cos /(/e e g h c v v a d (3 式中,w v 是工件速度,s v

23、是砂輪速度,gw c 是與砂輪形貌有關(guān)的系數(shù),e 為相應(yīng)正指數(shù),e s w /d d d = 2w s (cos d d +是砂輪當(dāng)量直徑。圖8 點(diǎn)磨砂輪連續(xù)切刃切削軌跡由式(3可知,在其他磨削參數(shù)不變時(shí),增大砂輪速度可以降低單顆磨粒的切屑厚度,減小磨削力,改善磨削質(zhì)量,并且可以增加材料的整體去除率。在砂輪的整體材料去除率一定時(shí),增大磨削速度可以減小單顆磨粒的磨削力,減少砂輪磨損,改善工件表面粗糙度和加工精度。在單顆磨粒的切屑厚度一定時(shí),增大砂輪速度可以提高材料去除率。4 點(diǎn)磨削運(yùn)動(dòng)軌跡分析 4.1 工件臨界軸向進(jìn)給速度 相對(duì)于每轉(zhuǎn)的軸向進(jìn)給量,點(diǎn)磨削精磨區(qū)域要有足夠的寬度以保證充足的旋切圈數(shù)

24、以生成光整磨 后表面,即工件軸向進(jìn)給速度f(wàn) v 應(yīng)小于其臨界值 f v 。但是f v 太小或砂輪太寬會(huì)增加磨削力和顫 振8。因此,保證最小旋切圈數(shù)的fv 滿足f w w v v b d = (4機(jī) 械 工 程 學(xué) 報(bào) 第46卷第17期176式中,b 為精磨區(qū)寬度。點(diǎn)磨削外圓時(shí),砂輪工作在高速/超高速范圍,工件許用轉(zhuǎn)速提高,最高可達(dá)10 kr ·min 12,有利于在使用薄砂輪時(shí)保證充足的旋切圈數(shù)。圖9為工件相鄰兩轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)砂輪在其表面上的軌跡。其中,s d 為相鄰轉(zhuǎn)的砂輪軌跡間隔,反映在磨后表面上就是 零件的加工余量寬度,s s 為相鄰轉(zhuǎn)的砂輪重合寬度,s s 大則相當(dāng)于增加了光磨行程,增加了單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)同一表面的有效磨粒數(shù),有利于獲得良好加工表面。但是s s 太大則材料去除率低,并且